Cuando ponemos las manos en el aire acondicionado da vientos fríos. Estos vientos tienen alta energía cinética pero baja temperatura. ¿Cómo? *No confundir con que el A/C es una bomba de calor, solo un ejemplo, tomemos las ventiscas antárticas. No puedo entender la paradoja de los vientos de baja temperatura. La temperatura es algo definido por la energía cinética
La velocidad media de una molécula de aire puede aproximarse mediante la siguiente ecuación, que es exacta sólo en el caso de un gas ideal:
$$\langle v \rangle = \sqrt{\frac{2RT}{M}}$$
Esto significa que en $25$ °C ( $298$ K) las moléculas de aire se moverán aleatoriamente a una velocidad media de $\simeq 467$ m/s.
Digamos que el aire acondicionado enfría el aire a $15$ °C ( $288$ K) antes de soplarlo en la habitación. A partir de la fórmula anterior, la velocidad molecular media será entonces $\simeq 459$ m/s.
Cuando el aire acondicionado expulsa el aire, lo hace a $0.1-0.3$ m/s (1). Esto significa que, en el peor de los casos, un movimiento de $0.3$ m/s se superpone a un movimiento medio que se sitúa en torno a $460$ m/s, más de un mil veces más rápido.
Se puede ver entonces cómo el movimiento de la masa de aire en su conjunto es insignificante: lo que importa es la velocidad molecular media en el marco de reposo de la masa de aire.
Además, aunque utilices un simple ventilador en lugar del aire acondicionado, percibirás el flujo de aire que incide sobre tu piel como más frío. Esto se conoce como enfriamiento por convección. Véase, por ejemplo este puesto para una explicación sencilla.
(1) Fuente
¿Y los vientos antárticos que alcanzan velocidades de varios cientos de metros por segundo? ¿Eso hace que se calienten?
@Jeff el récord mundial de velocidad del viento es de 231mph ~103 m/s. Normalmente el aire tiene que ser supersónico para empezar a calentarse - más de 300m/s
@Jeff Sí lo hace, lo que significa que si mides tu temperatura en un marco de referencia fijo o en un marco que se mueve con la masa de aire obtienes resultados diferentes. De todas formas, la mayor velocidad de viento jamás registrada en la Tierra es de 113 m/s (ciclón Olivia, 1996). Puedes intentar calcular el cambio que esto supondría en la temperatura, pero ten cuidado de que el $v$ en $\langle v \rangle$ es el valor absoluto de la velocidad, mientras que el viento soplará (presumiblemente y de forma aproximada) en una sola dirección espacial.
Hay dos cosas en juego aquí.
La temperatura, tiene que ver con el movimiento aleatorio y no dirigido. Así, por ejemplo, en un gas a temperatura ambiente, puede haber moléculas individuales que se mueven a $100~\textrm{ms}^{-1}$ Sin embargo, en promedio, la velocidad es cero.
Cuando se tiene un cuerpo de aire más frío en movimiento, significa que en promedio su energía cinética es menor, pero tienen una velocidad neta de "deriva". Es decir, las partículas tienen velocidades aleatorias, que corresponden al calor, pero como han sido "sopladas", tienen una velocidad media de quizás $5~\textrm{ms}^{-1}$ en una dirección concreta.
El hecho de que una brisa nos refresque sólo tiene una pequeña relación con la temperatura del aire. Piensa en tu mano, sentada en el aire quieto. Tu mano cederá algo de energía térmica a una capa de aire que la rodea. (En el proceso de calentamiento de ese aire, tu mano se enfriará). Ahora bien, si el aire está quieto, ahí se acaba la historia. Sin embargo, cuando hay una brisa, esta capa de aire que has calentado se desplaza. Se sustituye por un nuevo aire frío, al que tu mano puede volver a dar calor, lo que enfría tu mano de nuevo. Cuando hay una brisa, la mano recibe constantemente aire nuevo al que puede dar calor. Así que no es tanto que el aire esté a una temperatura más baja, sino que tan pronto como se calienta, es reemplazado por un nuevo conjunto de aire frío.
Sólo por diversión, consideremos otro efecto similar. Digamos que hay un poco de agua en tu mano. Cuando esta agua se evapora, requiere el calor de tu mano, y así el agua que se evapora te enfriará. En el aire quieto, el aire empezará a contener más vapor de agua, por lo que el proceso de evaporación será más lento. Sin embargo, si introducimos una brisa, entonces estamos trayendo aire fresco y seco, por lo que el proceso de evaporación puede ocurrir más rápido, y así se puede quitar más calor. Este proceso es la razón por la que si te lames la mano y luego soplas sobre ella, se enfría.
El énfasis en "poco" tiene que ver con ello. Sigue siendo necesario que haya un gradiente de temperatura, para que el calor fluya de la mano al aire.
@user154547 Los vientos calientes son masas de aire caliente que se mueven a lo largo de un gradiente de presión. La velocidad de la masa de aire en movimiento tiene poco que ver con su temperatura.
El quid de la cuestión es que la temperatura es el no dirigido movimiento de partículas.
Consideremos un ejemplo muy fácil de dos moléculas de aire volando con $100m/s$ de la otra, una en + $x$ -dirección, la otra en $-x$ -dirección. La velocidad media dirigida es entonces $0$ Sin embargo, la velocidad media no dirigida que corresponde a la temperatura es + $100m/s$ .
Ahora supongamos que se aceleran ambas partículas en $+50m/s$ para que uno tenga una velocidad de $-50m/s $ y el otro $+150m/s$ . La velocidad media dirigida es entonces $+50m/s$ que es la velocidad de la brisa. En cambio, el no dirigido se mantiene en $(150+50)/2 = 100m/s$ - la temperatura del sistema no ha cambiado.
Una brisa no es "un montón de moléculas de aire que se mueven en esa dirección". Una brisa es un onda de presión.
La velocidad de las moléculas de aire es del mismo orden que la velocidad del sonido. Vuelan de un lado a otro chocando con las cosas y, en su mayoría, rebotando. Estás rodeado de un aluvión de diminutos "meteoritos" que se estrellan contra tu piel y rebotan en todas direcciones.
Bueno, estos meteoros están rebotando principalmente en entre sí Porque a 1 atm las cosas son tan densas que la molécula media recorre 68 nm antes de chocar con otra molécula.
Lo único que impide que te haga volar es que te están aplastando por todos los lados de manera uniforme todo el tiempo.
Un vacío perfecto es sólo el efecto de la otro lado chocando contra ti y empujándote hacia allá, sin el apoyo de las moléculas del lado del vacío. Una aspiradora reduce la presión del aire en una cantidad ínfima, y provoca una fuerza bastante enorme de esta manera.
Un "viento" es una onda relativamente pequeña de mayor presión sobre este guiso violeta de moléculas de aire. Lo sentimos porque en el lado del que viene, la presión es más alta, y en el otro lado es más baja. Incluso un huracán es un cambio de presión relativamente pequeño, y es suficiente para recoger y destruir casas, árboles, coches y personas. El huracán más fuerte proviene de una diferencia de presión atmosférica de aproximadamente un 10%. Esa diferencia de presión desde el borde hasta el centro es suficiente para impulsar los vientos de toda esa tormenta.
Un viento de 10 km/h viaja a un 1% de la velocidad del sonido, que es aproximadamente la velocidad a la que se mueven las moléculas de aire. Ese movimiento macroscópico es una contribución minúscula a la energía cinética media de las moléculas de aire; tiene aproximadamente un 2% más de KE que el mismo aire inmóvil.
Un viento de 100km/h va ahora a un 10% de la velocidad del sonido. Como la KE es el cuadrado de la velocidad, en ese momento estamos hablando de un 20% más de KE que el mismo aire parado.
Habría que acercarse a los 700 km/h para que el viento tuviera tanta KE por su movimiento macroscópico de "viento" como por su movimiento microscópico de "vibración".
Ahora bien, como ha mencionado otro participante, la velocidad de las moléculas de aire es en realidad un poco más alta que la velocidad del sonido; el sonido es una onda, así que no se va a propagar a la misma velocidad exacta que las moléculas de aire (viajará un poco más lento). Pero te da el orden de magnitud correcto.
Una brisa es una desviación relativamente pequeña de la velocidad media con respecto a cero. Es no un fenómeno de presión o una onda.
@dmckee Creo que puede estar mal redactado o mal interpretado. Las diferencias de presión están muy relacionadas con el viento (aunque no soy meteorólogo y no sé lo suficiente como para decir si es una acción térmica que crea diferencia de presión la que impulsa el viento, o las variaciones térmicas impulsan el movimiento que crea diferencias de presión, etc). De cualquier manera estoy de acuerdo en que no es preciso tal y como está.
@dmckee Una brisa es una desviación relativamente pequeña de la velocidad media con respecto a cero, con el correspondiente gradiente de presión que permite que esa velocidad se propague (en forma de onda). Decir que una brisa no es un fenómeno de presión es como decir que la luz es sólo una pequeña desviación del campo eléctrico, no es un fenómeno magnético .
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Creo que no entiendes varias cosas. En primer lugar, no es la energía cinética total la que se relaciona con una temperatura, sino la energía cinética media en el marco de reposo del flujo volumétrico (es decir, en el marco en el que su "brisa" no se mueve). Se refiere a las velocidades aleatorias en torno a la media. En segundo lugar, "frío" es un término relativo. Si el aire a $60^{\circ}$ F pasa por delante de usted, se sentirá "frío", pero si ese aire es comparable al aire ambiente y/o a su temperatura corporal, se sentirá caliente.
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Sí, lo sé, la curva Boltzman-Maxwell. Además, tanto si digo frío como caliente, puedo replantear la pregunta de la forma que quieras. Por supuesto, estoy hablando en relación con las condiciones STP.
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@honeste_vivere no se puede negar que la energía cinética media del viento AC es inferior a la media del aire STP
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Hay una diferencia entre la energía cinética resultante de $\langle v^{2} \rangle$ y que desde $\langle v \rangle^{2}$ . La primera está relacionada con la temperatura y la segunda con la presión dinámica/de carnero. La energía cinética de los gases de escape de una unidad de aire acondicionado puede ser mucho mayor que la energía cinética del aire en una habitación tranquila.
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El malentendido central de la pregunta se aborda en ¿Por qué no me quema el viento fuerte? .
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Supón que estás en una pelea de bolas de nieve. Su teoría es que una bola de nieve entregada a su objetivo a 10 m/s es mucho más frío que una bola de nieve idéntica lanzada a su objetivo a 20 m/s, porque la una tiene una energía cinética mucho menor que la otra?
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Puedo recordar días en los que una brisa de 85F parecía "fresca", otras veces en las que una brisa de 65F parecía "cálida". Todo es relativo.